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The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers

KIEE Vol. 69, No. 10, p.1484-1489

ISSN (print) :

1975-8359

ISSN (online) :

2287-4364

Received : 23 July 2020Revised : 21 September 2020Accepted : 27 September 2020

DOI :

http://doi.org/10.5370/KIEE.2020.69.10.1484

Pulse Width Variable Control of Rotor Position Detection Signal for BLDC Motor Driving Control

회전자 위치검출 신호 펄스 폭 가변제어를 통한 BLDC 전동기 구동 제어

정성인 (Sung-In Jeong) ^†iD

^†Dept. of IT-Automotive Engineering, Gwangju University, Korea.

E-mail : si.jeong@gwangju.ac.kr

License :

This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.(www.kiee.or.kr).

Abstract

In general, in order to control the stator current and angle, high-precision rotor position information is required due to the characteristics of the BLDC motor. Since this information is used by connecting a position sensor such as an encoder or resolver to the rotating shaft of the motor, it is a factor that increases the size of the device, the cost of the driving system, and the inertia of the rotor. Another method for obtaining the rotor position information is to detect the position by the Hall-sensor and attach it to the part corresponding to the magnetic axis of the stator winding, and the rotor position information corresponding to the electric angle of 60∘ is in 6 steps. Can be obtained by stator exciting. It is difficult to maintain the motor at a constant speed because this method generates torque ripple and cannot be precisely controlled by feedback. Therefore, based on these problems of the position sensors, many methods of driving the BLDC motor by sensorless have been studied, but basically, the initial driving and the driving at low speed of the motor act as a big problem. Therefore, in this paper, we aim to improve the low-resolution problem by constructing a circuit that can replace a high-speed sensor such as an existing encoder or resolver using a low-cost Hall sensor. In this process, in the case of a BLDC motor with a low-speed specification, 1) the existing 6-pulse signal cannot be recognized, 2) the required time for the pulse-width of the 6-pulse signal, and 3) since the problems such as the required time for the pulse width of the signal and 3) since problems such as the complexity of a circuit composed of hardware are considered, we will study the method of driving a BLDC motor through variable control of the pulse width of the proposed rotor position detection signal.

Key words

BLDC Motor, 6-pulse signal, Variable Control of the Pulse Width, PLL Circuit, Hall-Sensor

1. 서 론

BLDC (Brushless DC Motor) 전동기의 경우 회전자가 공급하는 자속의 절대적인 위치에 제어각을 동기시켜야 하므로 회전자의 절대적인 위치 정보가 반드시 요구된다. 또한, 전동기를 제어하기 위한 여러 가지 제어 기법들은 전동기의 정확한 속도와 위치 정보가 필요하므로 절대적인 위치 정보를 얻기 위해서는 회전자에 엔코더 (Encoder), 레졸버 (Resolver) 또는 Hall-sensor와 같은 위치 센서를 부착하여야 한다⁽¹⁾.

레졸버나 엔코더는 회전자의 위치를 연속적으로 검출하는 장점이 있으나 가격이 매우 높아 전체 시스템의 가격을 크게 증가시키는 단점이 있다. 일반적으로 센서의 분해능 (Resolution) 한계로 인하여 정확한 정보를 얻을 수 없는 경우가 존재하며 저속 구동 시에는 고(高)분해능의 센서를 사용하지 않는 경우 정확한 속도나 위치 정보를 얻을 수 없게 되어 전체적인 시스템의 신뢰도가 떨어지게 된다. 특히 공작기계와 Micromachine같은 저속에서 정밀제어가 요구되는 시스템에서의 속도 리플은 정밀한 작업 수행에 큰 악영향을 미치게 된다. 따라서 이런 위치 센서들은 특별한 정밀도와 안정성을 요구하는 분야에서 널리 쓰이고 있다. 그러나 이러한 위치 센서들을 사용하는 것은 다음과 같은 문제점들을 안고 있다⁽²⁾.

1) 가격 측면

일반적으로 소형의 가전기기 시스템은 가격 상승에 민감하며 전동기 시스템의 비용이 전체 시스템에서 큰 비중을 차지하지 않는다. 이러한 위치 센서들의 가격은 그에 비해서 상당히 크기 때문에 이를 사용할 경우, 전체 시스템의 가격에서 전동기 시스템이 차지하는 가격 비율이 높게 상승하게 된다.

2) 기계적 측면

소형 모바일 가전 기기의 경우, 그 휴대성으로 인해 크기 및 무게의 제약이 따르게 된다. 엔코더나 레졸버와 같은 위치 센서들은 일반적으로 고정자 측에 부착되게 되어있어 전체적인 크기 및 무게를 증가시키는 결과를 가져온다.

일반적인 BLDC 전동기 시스템에서는 Hall-sensor가 주로 사용된다. 이 Hall-sensor는 자속밀도에 비례하는 전압을 발생시키는 홀 효과 (Hall effect)에 기반을 둔 센서로서 고정자 측에 전기각 120∘의 간격을 두고 부착되어 회전자의 자속을 직접 측정한다. Hall-sensor에 의한 BLDC 전동기 구동은 고속운전에서 위치검출에 대한 여자 시점의 지연 없이 전류의 전환(轉換, Commutation) 및 저속 및 고속에서의 속도제어 제어시스템을 구현하기가 매우 어렵고 따라서 토크 리플의 가장 큰 원인이 된다. 이러한 토크 리플은 구형파 구동 전동기의 고정밀 서보 계통에 큰 장애 요소가 되지만 고정밀 제어가 필요하지 않은 공작용 기기에서 사무용 기기 및 가전제품에 이르기까지 그 외 대부분의 응용 분야에서는 별다른 문제를 일으키지 않고 사용할 수 있다. 그러나 고속영역에서의 전동기의 성능을 현저하게 감소시키는 중요한 요인이 되어 고속영역에서 사용되는 BLDC 전동기의 출력 토크와 속도 응답 특성을 개선하기 위하여 드라이브 시스템의 최적화가 필요하다⁽³⁾.

또한, 위치 센서들의 이러한 문제점을 기반으로 하여 Sensorless에 의한 BLDC 전동기의 구동 방법들도 많이 연구된 상황이지만 기본적으로 초기구동과 전동기 저속에서의 구동이 큰 문제점으로 작용하고 있다. 따라서 본 논문에서는 저가(低價)의 Hall sensor를 사용하여 기존의 엔코더나 레졸버와 같은 고가(高價)의 속도 센서를 대신할 수 있는 회로를 구성하여 저(低) 분해능 문제점을 개선하고자 한다. 또한, 저속의 사양을 가지는 BLDC 전동기의 경우 1) 기존의 6-펄스 신호의 인식 불가, 2) 6-펄스 신호의 펄스 폭 (pulse width) 시간에 대한 요구 시간, 3) 하드웨어적으로 구성되는 회로의 복잡성 등의 문제가 고려되기 때문에 제안된 회전자 위치검출 신호의 펄스 폭 가변제어를 통한 BLDC 전동기 구동 방법을 연구하고자 한다.

2. BLDC 전동기 회전자 위치검출 신호^(4~⁶⁾

2.1 Hall sensor 이용한 6-펄스 신호검출

BLDC 전동기 회전자 위치판별용 센서는 저가(低價)의 Hall sensor를 사용하여 고가(高價)의 속도 센서를 대신하여 속도 알고리즘 구성할 수 있다. 3상 전동기 경우 그림 1과 같이 Hall sensor는 120∘의 위상차를 가지고 발생하며, 각 신호는 서로 60∘씩 교차한다. 따라서 각 신호의 상승부 (rising edge)와 하강부 (falling edge) 부분을 검출하여 60∘마다 발생하는 펄스를 이용하여 전동기를 제어할 수 있다. 120∘의 위상차를 가지는 3개의 Hall sensor 신호와 74LS123 (Dual Retriggerable Monostable Multivibrator)을 이용하여 표 1의 진리표를 통해 60∘마다 발생하는 6-펄스 신호를 구현할 수 있으며 이 신호는 저(低) 분해능의 엔코더로 사용되어 진다.

그림 1 Hall sensor 신호와 6-펄스 관계

Fig. 1 Hall sensor signal and 6-pulse relationship

표 1 74LS123 진리표

Table1 1 74LS123 Truth Table

Clear	A	B	Q
High	Low	↑	↑
High	↓	High	↑
↑	Low	High	↑

그림 2 74LS123을 이용한 6-펄스 신호검출 회로

Fig. 2 Hall sensor signal and 6-pulse

그림 2는 제작된 6-펄스 신호검출 회로로 BLDC 전동기 회전자 위치판별을 위해 각 상(相)에 설치된 3개의 Hall sensor 신호를 입력으로 하는 74LS123을 이용하여 6-펄스 신호를 출력으로 얻을 수 있다. 표 1의 진리표를 통해 각 Hall sensor 신호의 상승부와 하강부를 검출한 74LS123은 최종적으로 60∘마다 발생하는 6-펄스 신호를 그림 3과 같이 출력으로 발생시킨다.

그림 3 Hall sensor 신호와 6-펄스 신호 (5V, 1ms/div., 30,000rpm)

Fig. 3 Hall sensor signal and 6-pulse

Hall sensor를 이용하여 얻어진 6-펄스 신호는 전동기제어 시 분해능(resolution)이 낮은 관계로 정밀 속도제어를 할 수 없는 단점을 가지고 있다. 2극 BLDC 전동기 경우 Hall sensor를 이용한 분해능은 6[ppr]로 표 2에 나타낸 내용과 같이 속도제어 주기가 10[ms]일 경우 1[ppr]은 1,000[rpm]의 속도 오차를 가지며 제어주기가 1[ms]일 경우 속도제어가 불가능함을 알 수 있다. 또한, 100[ms]에서는 속도 오차폭이 100[rpm]으로 10[ms]에서보다 속도 오차가 1/10 감소함을 알 수 있다.

표 2 Hall-sensor 분해능

Table 2 Performance test of domestic PV generation system (Monitoring system)

속도제어 주기 10[ms] 일 때 [ppr]	속도제어 주기 100[ms] 일 때 [ppr]	속도제어 주기 1[s] 일 때 [ppr]	초당 회전수 [rps]	분당 회전수 [rpm]
1	10	100	16.67	1,000
2	20	200	33.33	2,000
3	30	300	50	3,000
4	40	400	66.67	4,000
5	50	500	83.33	5,000
생략
10	100	1,000	166.7	10,000
생략
30	300	3,000	500	30,000

PPR : Pulse Per Revolution $\quad$ RPS : Revolution Per Sec

RPM : Revolution Per Minute

따라서 Hall sensor를 사용한 경우 속도제어 주기가 최소 10[ms] 이상의 인터럽트 시간 간격으로 펄스 수를 카운트해야 정밀 속도제어가 가능하다. 그러나 이처럼 시간 간격이 길어지면 길어질수록 제어기 응답성에 의해 정상상태에 이르는데 걸리는 시간은 매우 길어지며 정속도 운전효율이 떨어지는 문제점을 가지고 있다.

2.2 PLL 회로를 이용한 고(高) 분해능 엔코더

2.1절에서 설명한 6-펄스 회로는 분해능 (resolution)이 낮아 정밀 속도제어를 해야 하는 분야에는 사용할 수 없다는 단점을 가지고 있다. 이러한 분해능의 문제점을 보상하여 정밀 속도가 가능할 수 있도록 PLL (Phase Locked Loop) 회로를 이용하여 위치검출의 정밀도를 높일 수 있는 고(高) 분해능 엔코더 회로를 그림 4와 같이 구성할 수 있다.

그림 4 고(高) 분해능 엔코더 구성회로

Fig. 4 Hall sensor signal and 6-pulse

그림 5는 제작된 PLL 회로로 Programmable counter와 BCD (Binary Coded Decimal) 스위치를 이용하여 6-펄스 신호를 이용하여 체배할 수 있도록 구성됐다. 따라서 Hall sensor의 저 (低) 분해능 문제점을 개선하여 기존의 엔코더나 레졸버와 같은 고가(高價)의 속도 센서를 대신할 수 있기에 전동기 구동 시스템의 경제적인 문제점을 해결할 수 있다.

제작된 PLL 회로를 이용하여 체배 주파수를 6-펄스 신호의 10배로 설정 후 BLDC 전동기를 3,000rpm으로 구동 시 Hall-sensor 신호, 6-펄스, PLL출력 신호의 결과를 그림 6에서 보여주고 있다. 따라서 기존의 저(低) 분해능의 Hall-sensor를 이용할 경우 회전자 위치를 60∘ 마다 제어할 수 있지만, PLL 회로를 이용하여 한주기 동안 6펄스×10개=60개의 펄스를 이용하여 6∘ 마다 회전자 위치를 제어할 수 있다.

그림 5 PLL 회로

Fig. 5 Hall sensor signal and 6-pulse

그림 6에서 freq(1) 50Hz의 결과는 BLDC 전동기 3,000rpm 구동 시 Hall- sensor 신호 HA의 주파수, freq(2) 300.84Hz의 결과는 6-펄스 신호의 주파수, freq(3) 3.01212kHz의 결과는 출력주파수 10배 설정 시 PLL 출력신호의 주파수를 각각 나타내고 있다.

그림 6 PLL 회로를 이용한 BLDC 전동기 구동 (3,000rpm) (1 : Hall-sensor 신호 HA, 2 : 6-펄스 신호, 3 : PLL 출력신호)

Fig. 6 Experimental control signals at 3,000rpm.

3. 제안한 회전자 위치검출 신호의 펄스 폭 가변제어

2절에 설명된 “Hall sensor 이용한 6-펄스 신호검출”과 “PLL회로를 이용한 고(高) 분해능 엔코더” 방법은 Hall sensor를 통해 얻은 회전자 위치 신호에 대해 6-펄스 신호의 저(低) 분해능 (resolution)의 문제점을 PLL 회로를 이용하여 분해능을 증가시킴으로써 저가(低價)의 고(高)분해능 엔코더로 기존의 엔코더나 레졸버의 역할을 할 수 있다. 그러나 저속의 사양을 가지는 BLDC 전동기의 경우 다음과 같은 문제점을 가지고 있다.

기존의 6-펄스 신호를 PLL 회로에 연계시 펄스 신호로 인식이 불가능하다.

6-펄스 신호의 펄스 폭 (pulse width)이 1~2us일 경우 신호 인식 불가능하다.

60∘ 간격으로 Hall-sensor 신호의 상승부 (rising edge)와 하강부 (falling edge) 검출에 적용되는 74LS123 소자의 경우 10us 이상의 펄스 폭 (pulse width)을 갖는 신호를 인가해야만 PLL 회로에서 펄스 신호로 인식을 한다.

74LS123 소자로 구성 시 6개의 소자가 필요하며 회로가 복잡해지는 문제점을 갖고 있다.

따라서 이러한 문제점을 개선하기 위해 본 논문에서는 회전자 위치검출 신호의 펄스 폭 가변제어를 통한 BLDC 전동기 구동 방법을 제안하였다. 위치검출 신호의 펄스 폭 가변제어를 구현하기 위해 EPLD (Erasable Programmable Logic Device) 프로그램을 이용하여 그림 7과 같이 회로 설계 및 설계에 대한 시뮬레이션 결과를 보여주고 있다.

그림 7(a)는 표 1에 나타낸 74LS123의 기능을 4입력 Counter와 JK Flip-flop 소자를 이용하여 EPLD에서 설계한 로직 회로를 보여주고 있다. 4입력 Counter의 입력부에는 1MHz의 외부 오실레이터 신호가 Clock 신호로 입력되며 신호 A, B, C, D는 Clock 신호를 기준으로 각각 2 분주한 신호가 입력으로 사용된다. 이러한 신호를 입력으로 받는 4입력 Counter는 그림 7(a)에 나타낸 논리표에 의해 신호를 출력시키며 이 신호는 JK Flip-flop의 Clock 신호단자로 입력되는 구조로 설계됐다. 또한, 본 논문에서는 JK Flip-flop의 출력신호로 얻어지는 6-펄스의 duty를 10us 이상의 펄스 폭 (pulse width)을 가질 수 있도록 임의의 13us로 설계하였다. 따라서 7(b)에서 Clock 신호의 13번째 신호가 입력된 후 JK Flip-flop의 논리표에 의해 최종적으로 13us의 펄스 폭 신호를 가지는 6-펄스가 출력될 수 있는 로직 회로를 보여주고 있다.

그림 7(a), 7(b)에서 설계된 로직회로에 대한 EPLD 시뮬레이션 결과를 그림 7(c)에서 보여주고 있으며 CS1, CS2, CS3는BLDC 전동기 각 상의 Hall-sensor 신호로 3ms의 주기를 갖도록 임의의 값을 설정하였다. 3ms의 주기를 갖는 Hall-sensor 신호(CS1, CS2, CS3)와 1MHz의 Clock 신호를 이용하여 생성된 6-펄스 신호의 duty가 제안된 회로에 의해 13us의 펄스 폭 값을 가지고 있음을 CS1, CS2, CS3 각각에서 생성된 결과에서 확인할 수 있다.

그림 7에서 설명된 제안한 회전자 위치검출 신호의 펄스 폭 가변제어를 위해 본 논문에서 적용한 EPLD 내부 알고리즘을 그림 8에서 보여주고 있다. 이러한 알고리즘을 이용하여 3상 2극, 정격속도 33,000rpm의 특성을 가지는 실제 BLDC 전동기의 30,000rpm 구동 시 결과를 그림 9 ~10에서 확인할 수 있다. BLDC 전동기를 30,000rpm 구동 시 생성된 6-펄스 신호(그림 9)와 6-펄스 중 특정 펄스를 확대하여 펄스 폭(그림 10)이 13us의 결과를 보여주고 있다. 따라서 제안된 회전자 위치검출 신호의 펄스 폭 가변제어 알고리즘을 이용한 시뮬레이션 결과와 동일한 실험결과를 그림 9 ~10을 통해 얻을 수 있다.

그림 11은 본 논문에서 제안한 회전자 위치검출 신호의 펄스 폭 가변제어와 그림 5에서 소개한 PLL 회로의 체배 주파수 20배로 적용하여 BLDC 전동기 5,000rpm으로 구동 시의 결과를 보여주고 있다.

그림 7 제안한 회전자 위치검출 신호의 펄스 폭 가변제어

Fig. 7 Variable control of pulse width of the proposed rotor position detection signal

그림 8 제안된 펄스 폭 가변제어를 위해 설계된 EPLD 내부 알고리즘

Fig. 8 EPLD internal algorithm designed for proposed pulse width variable control

따라서 3절 “3. 제안한 회전자 위치검출 신호의 펄스 폭 가변제어”에서 저속의 사양을 가지는 BLDC 전동기의 경우 열거된 문제점을 본 논문에서 제안한 회전자 위치검출 신호의 펄스 폭 가변제어를 통해 문제점을 해결할 수 있다. 추가로 기존의 저 (低) 분해능 Hall-sensor를 이용할 경우 회전자 위치를 60∘씩 마다 제어할 수 있지만 제안된 한주기 동안 6펄스×20개=120개의 펄스를 얻을 수 있으므로 3∘마다 회전자 위치를 제어할 수 있다.

그림 9 BLDC 전동기 구동시 6-펄스 (2V, 2ms/div., 30,000rpm)

Fig. 9 Hall sensor signal and 6-pulse

그림 10 6-펄스 중 특정 펄스를 확대한 펄스 폭 결과 (2V, 5us/div., 30,000rpm)

Fig. 10 Pulse width result of expanding a specific pulse among 6-pulses

그림 11 제안된 알고리즘과 PLL 회로를 이용한 결과 (5,000rpm) (1 : Hall-sensor 신호 HA, 2 : 6-펄스 신호, 3 : PLL 출력신호)

Fig. 11 Results using the proposed algorithm and PLL circuit (3,000rpm) (from top to bottom: Hall sensor HA, 6-pulse signal, and PLL output signal)

4. 결 론

BLDC 전동기 구동시 저가(低價)의 Hall sensor를 사용하여 기존의 엔코더나 레졸버와 같은 고가(高價)의 속도 센서를 대신할 수 있는 회로를 구성하여 저(低) 분해능 문제점을 개선할 수 있다. 그러나 저속의 사양을 가지는 BLDC 전동기의 경우 6-펄스 신호의 인식 불가, 6-펄스 신호의 펄스 폭 (pulse width) 시간에 대한 요구 시간, 하드웨어적으로 구성되는 회로의 복잡성 등의 문제가 발생한다.

이러한 문제점에 대해 본 논문에서 제안한 회전자 위치검출 신호의 펄스 폭 가변제어를 통해

(1) 기존의 6-펄스 신호를 PLL 회로에 연계시 펄스 신호로 인식이 불가능하다.

(2) 6-펄스 신호의 펄스 폭 (pulse width)이 1~2us일 경우 신호 인식 불가능하다.

(3) 60∘ 간격으로 Hall-sensor 신호의 상승부 (rising edge)와 하강부 (falling edge) 검출에 적용되는 74LS123 소자의 경우 10us 이상의 펄스 폭 (pulse width)을 갖는 신호를 인가해야만 PLL 회로에서 펄스 신호로 인식을 한다.

(4) 74LS123 소자로 구성 시 6개의 소자가 필요하며 회로가 복잡해지는 문제점을 갖고 있다.

등의 문제점을 해결할 수 있다.

Acknowledgements

이 연구는 2020년도 광주대학교 대학 연구비의 지원을 받아 수행되었음.

References

T. Kenjo, S. Nagamori, 1984, Permanent Magnet and Brushless DC Motors, Tokyo: Sogo Electronics

D. C. Hanselman, 1994, Brushless Permanent-Magnet Motor Design, New York : McGraw-Hill

K. A. Corzine, S. D. Sudhoff, 1996, A hybrid observer for high performance brushless dc motor drives, IEEE Trans. on Energy Conversion, Vol. 11, No. 2, pp. 318-323

F.Caricchi, F.Giulii Capponi, F. Crescimbini, L. Solero, 2001, Sinusoidal brushless drive with low-cost hall effect position sensors, Proc. of the IEEE PESC, Vol. 2, pp. 799-804

Yong-Ho Yoon, 2019, Three Phase BLDC Motor Driving Control System with Rotor Position Detection and Low Cost Driving Circuit, Trans. KIPE, Vol. 68, No. 2, pp. 376-381

Jeong-Hoi Gu, Jang-Young Choi, 2018, Realization of Velocity of BLDC Motor Using Linear Type Hall-effect Sensor and Enhanced Differentiator, KIPE, Vol. 67, No. 7, pp. 840-845

저자소개

정성인 (Sung-In Jeong)

2001년 동국대학교 전기공학과(공학사)

2003년 한양대학교 전기공학과(공학석사)

2015년 브라운슈바이크 공대(공학박사)

2018년~현재 광주대학교 IT자동차학과 교수

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회전자 위치검출 신호 펄스 폭 가변제어를 통한 BLDC 전동기 구동 제어

Abstract

Key words

1. 서 론

1) 가격 측면

2) 기계적 측면

2. BLDC 전동기 회전자 위치검출 신호^(4~⁶⁾

2.1 Hall sensor 이용한 6-펄스 신호검출

2.2 PLL 회로를 이용한 고(高) 분해능 엔코더

3. 제안한 회전자 위치검출 신호의 펄스 폭 가변제어

4. 결 론

Acknowledgements

References

저자소개

정성인 (Sung-In Jeong)

Article Information (continued)

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1. 서 론

1) 가격 측면

2) 기계적 측면

2. BLDC 전동기 회전자 위치검출 신호(4~6)

2.1 Hall sensor 이용한 6-펄스 신호검출

2.2 PLL 회로를 이용한 고(高) 분해능 엔코더

3. 제안한 회전자 위치검출 신호의 펄스 폭 가변제어

4. 결 론

Acknowledgements

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저자소개

정성인 (Sung-In Jeong)

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2. BLDC 전동기 회전자 위치검출 신호^(4~⁶⁾